JP2014209107A - X-ray waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｘ線イメージング技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系などに用いられるＸ線導波路に関する。 The present invention relates to an X-ray waveguide used for an X-ray optical system in X-ray imaging technology, X-ray exposure technology, and the like.
数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が非常に小さいため、物質間界面を基準とした全反射角や屈折角が非常に小さくなる。このような理由により、従来、波長の短い電磁波を制御するためには、主に大型の空間光学系が用いられてきており、今でもなお主流となっている。空間光学系をなしている主な部品として、結晶ミラーや異なる屈折率の材料を交互に積層した多層膜反射鏡があり、ビーム整形、スポットサイズ変換、波長選択などの様々な役割を担っている。 When an electromagnetic wave with a short wavelength of several tens of nm or less is handled, the difference in refractive index with respect to the electromagnetic wave between different substances is very small, so that the total reflection angle and the refraction angle with respect to the interface between the substances become very small. For these reasons, conventionally, large-scale spatial optical systems have been mainly used to control electromagnetic waves with short wavelengths, and are still mainstream. The main components that make up the spatial optical system are crystal mirrors and multi-layered film reflectors with alternating layers of materials with different refractive indexes, which play various roles such as beam shaping, spot size conversion, and wavelength selection. .
このような空間光学系に対し、従来のポリキャピラリのようなＸ線導波管を用いた部品は、その中にＸ線を閉じ込めて伝搬させるものである。さらに近年では光学系の小型化、高性能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝搬させる、Ｘ線導波路の研究が行われている。最も基本的なＸ線導波路の構成は、コアとしての十分薄い空気層や膜をクラッド層で挟み込んだシングルモード導波路が挙げられ、その中でも特に伝搬損失を低減するための構成を有するＸ線導波路が提案されている（非特許文献１）。また、コアの幅を２次元方向により制限し２次元の導波モードを実現することができる、２次元Ｘ線導波路に関して、個々の２次元導波路を配列したＸ線導波路が提案されている（非特許文献２）。 In contrast to such a spatial optical system, a conventional component using an X-ray waveguide such as a polycapillary confins and propagates X-rays therein. Furthermore, in recent years, with the aim of miniaturization and high performance of optical systems, research on X-ray waveguides that confine and propagate electromagnetic waves in thin films and multilayer films has been conducted. The most basic X-ray waveguide configuration is a single mode waveguide in which a sufficiently thin air layer or film as a core is sandwiched between clad layers. Among them, an X-ray having a configuration for reducing propagation loss among others. A waveguide has been proposed (Non-Patent Document 1). In addition, regarding a two-dimensional X-ray waveguide capable of realizing a two-dimensional waveguide mode by limiting the width of the core in a two-dimensional direction, an X-ray waveguide in which individual two-dimensional waveguides are arranged has been proposed. (Non-Patent Document 2).
しかしながら、先行技術文献で提案されているＸ線導波路には以下のような課題が存在する。 However, the following problems exist in the X-ray waveguide proposed in the prior art documents.
非特許文献１で提案されているような、従来のシングルモード導波路は、導波方向に垂直な１次元方向においてのみ制御された導波モードを形成することはできるが、コアとクラッドの界面に平行な方向における導波モードは制御されておらず、この方向において導波モードはマルチモードとなってしまう。さらに、非特許文献２で提案されているような、導波方向に垂直な２次元方向においてＸ線を閉じ込める個々の２次元Ｘ線導波路中を配列した構成のＸ線導波路においては、それぞれの２次元Ｘ線導波路に全反射でＸ線が閉じこめられ、複数の独立の導波モードが形成されてしまうため、配列したＸ線導波路すべてにわたって均一な導波モードを形成することは困難である。 A conventional single mode waveguide as proposed in Non-Patent Document 1 can form a controlled waveguide mode only in a one-dimensional direction perpendicular to the waveguide direction. The waveguide mode in the direction parallel to the direction is not controlled, and the waveguide mode becomes a multimode in this direction. Further, as proposed in Non-Patent Document 2, in each X-ray waveguide having a configuration in which individual two-dimensional X-ray waveguides that confine X-rays in a two-dimensional direction perpendicular to the waveguide direction are arranged, Since the X-rays are confined by total reflection in the two-dimensional X-ray waveguide and a plurality of independent waveguide modes are formed, it is difficult to form a uniform waveguide mode over all the arranged X-ray waveguides. It is.
このように、従来のＸ線導波路では、導波方向に垂直な広い領域にわたって位相のそろった２次元方向に制御された導波モードを形成することが困難であった。 As described above, in the conventional X-ray waveguide, it is difficult to form a waveguide mode controlled in a two-dimensional direction having a uniform phase over a wide region perpendicular to the waveguide direction.
そこで、本発明では、コアと、該コアを挟持し対向して存在する二つのクラッドと、で構成されるＸ線導波路において、
前記二つのクラッドのうちの一方のクラッドと前記コアとの界面が、前記二つのクラッドの対向方向および前記Ｘ線導波路のＸ線の導波方向に垂直な方向に周期的な凹凸構造を有していることを特徴とするＸ線導波路を提供する。
Therefore, in the present invention, in an X-ray waveguide composed of a core and two clads that are opposed to and sandwich the core,
An interface between one of the two clads and the core has a periodic uneven structure in a direction perpendicular to the two clads and in a direction perpendicular to the X-ray waveguide direction of the X-ray waveguide. An X-ray waveguide is provided.
本発明によれば、２次元方向においてモード制御された高い２次元空間コヒーレンスを有するＸ線を実現することができるＸ線導波路を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the X-ray waveguide which can implement | achieve the X-ray which has the high two-dimensional space coherence which was mode-controlled in the two-dimensional direction can be provided.
以下、図面を参照して本発明のＸ線導波路の構成について好適な実施形態の例を説明する。但し、この実施形態に記載されている構成等は特に記載がない限り、本発明の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, examples of preferred embodiments of the configuration of the X-ray waveguide of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the configuration described in this embodiment does not limit the scope of the present invention unless otherwise specified.
本実施形態のＸ線導波路は、コアと、該コアを挟持し対向して存在する二つのクラッドと、で構成されるＸ線導波路において、前記二つのクラッドのうちの一方と前記コアとの界面が、前記二つのクラッドの対向方向および前記Ｘ線導波路のＸ線の導波方向に垂直な方向に周期的な凹凸構造を有しているＸ線導波路である。言い換えれば、コアと、該コアを挟持し対向して存在する二つのクラッドと、で構成されるＸ線導波路において、前記二つのクラッドのうちの一方と前記コアとの界面が、前記二つのクラッドの対向方向に垂直な界面方向に規則的な凹凸構造を有しており、前記Ｘ線導波路のＸ線が導波される導波方向が前記対向方向および前記規則的な凹凸構造の構造周期が最短となる方向に垂直な方向であるＸ線導波路である。 The X-ray waveguide of the present embodiment is an X-ray waveguide configured by a core and two clads that are opposed to each other with the core interposed therebetween, and one of the two clads and the core Is an X-ray waveguide having a periodic concavo-convex structure in a direction perpendicular to the opposing direction of the two claddings and the X-ray waveguide direction of the X-ray waveguide. In other words, in an X-ray waveguide composed of a core and two clads that sandwich and oppose each other, the interface between one of the two clads and the core is the two A structure having a regular concavo-convex structure in an interface direction perpendicular to the facing direction of the clad, and the waveguide direction in which the X-rays of the X-ray waveguide are guided is the structure of the facing direction and the regular concavo-convex structure. It is an X-ray waveguide whose direction is perpendicular to the direction with the shortest period.
ここで、本実施形態および本発明においてＸ線とは、物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波であり、極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指すものとする。このような短い波長の電磁波の周波数は非常に高く、物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）
物質中におけるＸ線の吸収は、物質の電子密度に依存するので、真空状態を、ある屈折率の物質で満たされていると考えた場合に、その屈折率実部は１と最大となる。このことから、本発明においては、真空を屈折率実部が１であり屈折率虚部が０の一つの物質として定義することとする。 Since the absorption of X-rays in a substance depends on the electron density of the substance, when the vacuum state is considered to be filled with a substance having a certain refractive index, the real part of the refractive index is 1 and maximum. Therefore, in the present invention, the vacuum is defined as one substance having a refractive index real part of 1 and a refractive index imaginary part of 0.
本実施形態のＸ線導波路は、対向する二つのクラッドがコアを挟持する構成となっており、コアとクラッドとの界面での全反射によりＸ線をコアの中に閉じ込めて導波モードを形成し、Ｘ線を伝搬させるものである。二つのクラッドが対向する方向、つまり二つのクラッドの向かい合う面を最短で結ぶ線分に平行な方向を本発明および本明細書中において、対向方向と称する。 The X-ray waveguide of the present embodiment has a configuration in which two opposing clads sandwich the core, and the X-ray is confined in the core by total reflection at the interface between the core and the clad so that the waveguide mode is set. It is formed and X-rays are propagated. The direction in which the two claddings face each other, that is, the direction parallel to the line segment that connects the opposing surfaces of the two claddings at the shortest is referred to as the facing direction in the present invention and this specification.
全反射により、Ｘ線をコアに閉じ込めるために、本発明のＸ線導波路では、コアとクラッド界面において、コアをなす物質の屈折率実部がクラッドをなす物質の屈折率実部より大きくなるように構成されている。 In order to confine X-rays in the core by total reflection, in the X-ray waveguide of the present invention, the real part of the refractive index of the substance forming the core is larger than the real part of the refractive index of the substance forming the clad at the interface between the core and the clad. It is configured as follows.
本実施形態のＸ線導波路中に形成される導波モードのＸ線は、対向方向に垂直な一つの方向へ導波されるものとし、この方向を本明細書中では導波方向と称する。導波方向は、Ｘ線が導波される方向の波数ベクトル成分である伝搬定数が定義される方向に平行な方向であり、本明細書中における直交座標系においてｚ方向と定義する。また、本発明および本明細書中では、導波方向に垂直な断面を導波断面と称する。クラッドの対向方向、Ｘ線の導波方向、コアとクラッドの界面横断方向を簡単に説明するために、図１（ａ）を用いて説明する。 The X-ray of the waveguide mode formed in the X-ray waveguide of this embodiment is guided in one direction perpendicular to the opposing direction, and this direction is referred to as a waveguide direction in this specification. . The waveguide direction is a direction parallel to a direction in which a propagation constant, which is a wave vector component in the direction in which X-rays are guided, is defined, and is defined as the z direction in the orthogonal coordinate system in this specification. In the present invention and this specification, a cross section perpendicular to the waveguide direction is referred to as a waveguide cross section. In order to briefly explain the clad facing direction, the X-ray waveguiding direction, and the crossing direction of the interface between the core and the clad, a description will be given with reference to FIG.
図１（ａ）は、二つのクラッド１０２および１０３が対向して配置されており、それらがコア１０１を挟む構成である従来のＸ線導波路を示すものである。導波方向を紙面に垂直な１０４方向、二つのクラッド１０２、１０３の対向方向を１０５とした場合、導波方向１０４および対向方向１０５に垂直な方向を界面横断方向１０６と定義することができる。さらに本明細書中では、直交座標系におけるｘ方向、ｙ方向およびｚ方向を、それぞれ、対向方向、界面横断方向および導波方向に対応させるものとする。 FIG. 1 (a) shows a conventional X-ray waveguide in which two clads 102 and 103 are arranged to face each other and sandwich a core 101 therebetween. When the waveguide direction is 104 direction perpendicular to the paper surface and the opposing direction of the two clads 102 and 103 is 105, the direction perpendicular to the waveguide direction 104 and the opposing direction 105 can be defined as the interface crossing direction 106. Furthermore, in this specification, the x direction, the y direction, and the z direction in the orthogonal coordinate system correspond to the facing direction, the interface crossing direction, and the waveguide direction, respectively.
本実施形態のＸ線導波路は、対向する二つのクラッドがコアを挟持して構成されるＸ線導波路であり、二つのクラッドのうちの一方と前記コアとの界面が、前記対向方向および前記導波方向に垂直な方向に周期的な凹凸構造を有しているＸ線導波路である。言い換えれば、少なくとも一方のコアとクラッドの界面が、クラッドが対向する対向方向に垂直な、界面横断方向において、規則的な凹凸構造である１次元周期構造を有しており、導波方向が、対向方向および界面横断方向に垂直な方向であるＸ線導波路である。なお、「二つのクラッドのうちの一方とコアとの界面が、二つのクラッドの対向方向およびＸ線導波路のＸ線の導波方向に垂直な方向に周期的な凹凸構造を有する」には、「コアが、その表面に、界面横断方向に周期性が定義される、複数の周期的な溝を有する」という概念が含まれる。 The X-ray waveguide of the present embodiment is an X-ray waveguide configured by two opposing clads sandwiching a core, and an interface between one of the two clads and the core is in the opposing direction and It is an X-ray waveguide having a periodic uneven structure in a direction perpendicular to the waveguide direction. In other words, the interface between at least one of the core and the clad has a one-dimensional periodic structure that is a regular concavo-convex structure in the cross-interface direction perpendicular to the facing direction in which the clad faces, and the waveguide direction is It is an X-ray waveguide which is a direction perpendicular to the facing direction and the interface crossing direction. In addition, “the interface between one of the two clads and the core has a periodic concavo-convex structure in a direction perpendicular to the opposing direction of the two clads and the X-ray waveguide direction of the X-ray waveguide” , “The core has a plurality of periodic grooves on its surface, the periodicity of which is defined in the direction across the interface”.
ここで、界面横断方向とは、前述した通り、Ｘ線の導波方向および対向方向に垂直な方向であり、本実施形態のＸ線導波路は二つのクラッドのうちの一方とコアとの界面においてこの界面方向に周期的な（規則的な）凹凸構造である１次元周期構造の周期性を有する。すなわち、導波方向を一つの方向として定義した場合、界面横断方向において、少なくとも一方のコアとクラッドの界面が、１次元周期構造を有する。なお、ここで「少なくとも一方のコアとクラッドの界面が」と記載する場合には、２つのコアとクラッドの界面のうちのいずれか一方であっても良く、両方であっても良いことは言うまでもない。 Here, the cross-interface direction is the direction perpendicular to the X-ray waveguide direction and the opposing direction as described above, and the X-ray waveguide of this embodiment is an interface between one of the two clads and the core. 1 has a periodicity of a one-dimensional periodic structure which is a periodic (regular) uneven structure in the interface direction. That is, when the waveguide direction is defined as one direction, at least one interface between the core and the clad has a one-dimensional periodic structure in the cross-interface direction. It should be noted that when “the interface between at least one core and the clad” is described here, it may be either one of the interfaces between the two cores and the clad, or both. Yes.
一方のコアとクラッドの界面が界面横断方向において１次元周期構造を有する場合の模式図の例を、図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）では、対向する二つのクラッド１０８と１０９がコア１０７を挟む構成となっており、界面１１０および界面１１１のうちの一方の界面１１０が界面横断方向１０６において、１次元周期的に凹凸構造を有している。 FIG. 1B shows an example of a schematic diagram when the interface between one core and the cladding has a one-dimensional periodic structure in the cross-interface direction. In FIG. 1B, two opposing clads 108 and 109 sandwich the core 107, and one of the interfaces 110 and 111 is one-dimensionally periodic in the interface crossing direction 106. Has an uneven structure.
このため、図１（ａ）で示されるような従来のＸ線導波路では、導波モードの制御が対向方向１方向のみに行われていたのに対し、本実施形態のＸ線導波路では、導波モードの制御が対向方向に加え、界面横断方向においても行われることにより２次元方向で制御された、２次元の導波モードを形成することができる。 For this reason, in the conventional X-ray waveguide as shown in FIG. 1A, the waveguide mode is controlled only in one direction in the opposite direction, whereas in the X-ray waveguide of this embodiment, The two-dimensional waveguide mode controlled in the two-dimensional direction can be formed by controlling the waveguide mode in the direction across the interface in addition to the opposing direction.
図１（ｂ）では、対向方向において、コアが広い領域１１５とコアが狭い領域１１６において、存在できる導波モードが異なるため、どちらか一方の導波モードを励起することにより、領域１１５だけまたは領域１１６だけに局在する２次元の導波モードを形成することができる。導波断面である部分に局在したこのような導波モードは、コア全体にわたってＸ線が干渉することにより形成されるものであるため、電磁場が集中している領域とそうでない領域での位相情報はそろったものである。 In FIG. 1B, in the facing direction, the waveguide modes that can exist in the region 115 with the wide core and the region 116 with the narrow core are different, and therefore by exciting one of the waveguide modes, only the region 115 or A two-dimensional guided mode localized only in the region 116 can be formed. Such a guided mode localized in a portion of the waveguide cross section is formed by the interference of X-rays over the entire core, and therefore, the phase in the region where the electromagnetic field is concentrated and the region where it is not. The information is complete.
本実施形態のＸ線導波路が有するコアは、図１（ｂ）の例で示されるように、界面横断方向１０６において連続して構成されているため、コア１０７中に閉じこめられるＸ線は、導波方向に伝搬する際、界面横断方向全体にわたって干渉するため、対向方向の幅に加え、広い界面横断方向全体の広い幅にわたって位相がそろった２次元の導波モードが形成される。 As shown in the example of FIG. 1B, the core included in the X-ray waveguide of the present embodiment is continuously configured in the interface crossing direction 106, and therefore the X-rays confined in the core 107 are When propagating in the waveguide direction, interference occurs across the entire interface crossing direction, so that a two-dimensional waveguide mode is formed in which the phases are aligned over the wide width across the wide interface crossing direction in addition to the width in the opposing direction.
逆に、界面横断方向に上記のような周期的な凹凸構造がない場合、つまり界面横断方向には一様な構造であり界面横断方向の導波モードを規定する構造がないことになるため、界面横断方向においてモードは複雑なマルチモードとなり、界面横断方向の空間コヒーレンシーが極端に低くなってしまう。 Conversely, when there is no periodic uneven structure as described above in the cross-interface direction, that is, there is no structure that defines a waveguide mode in the cross-interface direction, which is a uniform structure in the cross-interface direction. The mode becomes a complex multimode in the cross-interface direction, and the spatial coherency in the cross-interface direction becomes extremely low.
界面横断方向の周期的な凹凸構造の周期は、好ましくは１ナノメートル以上１０マイクロメートル以下である。 The period of the periodic concavo-convex structure in the transverse direction of the interface is preferably 1 nanometer or more and 10 micrometers or less.
また、扱う波長のＸ線に対してコアが一様な物質からなる場合、本実施形態のＸ線導波路では、導波断面においてコアの広い領域にＸ線がより集中することになると同時に、コアの狭い領域にも連続的にＸ線は存在する。コアの狭い領域（相対的に対向方向の厚さが薄い領域）を介して隣り合うコアの広い領域中のＸ線が実空間で行き来し、強い干渉を起こすために、コアの狭い領域は、対向方向においてある程度の厚さを必要とする。コアの広い領域（相対的に対向方向の厚さが厚い領域）に局在するＸ線がその最大振幅の１／ｅ２（ｅはネイピア数）までコアの狭い領域において減衰しない程度の関係が好ましい。ただしこれは、導波路を構成する各物質の屈折率の関係にもよるので、例えば、対向方向におけるコアの狭い領域の厚さがコアの広い領域の厚さの１／ｅ２よりも厚いことが好ましい。同時に、対向方向におけるコアの狭い領域の厚さがコアの広い領域の厚さの（１−１／ｅ２）よりも薄いことが好ましい。すなわち、コアの対向方向における、相対的に厚さが厚い領域の厚さを１とした時に、相対的に厚さが薄い領域の厚さが、１／ｅ２以上１−１／ｅ２以下であることが好ましい。 In addition, when the core is made of a uniform material with respect to the X-rays of the wavelength to be handled, in the X-ray waveguide of this embodiment, X-rays are more concentrated in a wide area of the core in the waveguide cross section, X-rays continuously exist in a narrow region of the core. In order for X-rays in a wide area of adjacent cores to come and go in real space through a narrow area of the core (area where the thickness in the opposite direction is relatively small), strong interference occurs. Some thickness is required in the facing direction. The relationship is such that X-rays localized in a wide area of the core (area where the thickness in the facing direction is relatively thick) are not attenuated in the narrow area of the core up to 1 / e 2 (e is the number of Napier) of the maximum amplitude. preferable. However, this depends on the refractive index relationship of each material constituting the waveguide. For example, the thickness of the narrow core region in the facing direction is greater than 1 / e 2 of the thickness of the wide core region. Is preferred. At the same time, it is preferable that the thickness of the narrow region of the core in the facing direction is smaller than (1-1 / e 2 ) of the thickness of the wide region of the core. That is, when the thickness of the relatively thick region in the facing direction of the core is 1, the thickness of the relatively thin region is 1 / e 2 or more and 1-1 / e 2 or less. It is preferable that
コアとクラッド界面での全反射によりＸ線をコアに閉じ込めるために、コアをなす物質としては吸収損失が小さく屈折率実部の大きいものが好ましく、例えば、真空、空気、メソポーラス材料、ベリリウム（Ｂｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などが挙げられるが、これらに限定するものではない。また、クラッドをなす物質としては屈折率実部が小さいものが好ましく、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、オスミウム（Ｏｓ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）などが挙げられるが、これらに限定するものではない。また、本発明のＸ線導波路は、フォトリソグラフィー、電子線ビームリソグラフィー、エッチングプロセス、スパッタ法、ゾルゲルプロセスなどの従来の半導体プロセス技術などを組み合わせることにより、作製されるものであるが、作製方法としてはこれらに限るものではない。 In order to confine X-rays in the core by total reflection at the interface between the core and the clad, the material forming the core is preferably a material having a small absorption loss and a large real part of the refractive index. For example, vacuum, air, mesoporous material, beryllium (Be ), Boron (B), carbon (C), boron carbide (B 4 C), boron nitride (BN), and the like, but are not limited thereto. Further, the material forming the cladding is preferably a material having a small real part of the refractive index, and examples thereof include nickel (Ni), osmium (Os), platinum (Pt), tungsten (W), titanium (Ti), and the like. It is not limited to these. The X-ray waveguide of the present invention is manufactured by combining conventional semiconductor process technologies such as photolithography, electron beam lithography, etching process, sputtering method, sol-gel process, etc. However, it is not limited to these.
また、コアは、二つのクラッドが対向する対向方向において屈折率実部の周期性を有する周期構造体であり、該周期性とＸ線の波長との間で定義されるブラッグ角が、コアとクラッドの界面における該Ｘ線の全反射臨界角よりも小さいことが好ましい。この理由を以下に記載する。 The core is a periodic structure having periodicity of the real part of the refractive index in the facing direction in which the two clads face each other, and the Bragg angle defined between the periodicity and the wavelength of the X-ray is The X-ray total reflection critical angle at the cladding interface is preferably smaller. The reason is described below.
まず、界面横断方向において、コアとクラッドの界面が周期構造を有さない場合（図２）について説明する。図２において、コア２０１を二つの対向するクラッド２０２と２０３が挟んでおり、コアは屈折率実部の大きい物質層２０４と屈折率実部の小さい物質層２０５が対向方向において周期的に積層された周期構造体である。コアが一様な媒質で構成されている場合、導波モードはすべて対向方向においてコアの幅に共鳴したものとなるのに対し、図２のようにコアが対向方向において屈折率の周期性を有する場合、対向方向においてコアの幅および周期性に共鳴する導波モードが形成される。本発明および本実施形態においてこの導波モードを周期共鳴導波モードと称する。ここで、導波モードの基本波の伝搬角度θｅｆｆを、界面横断方向に垂直な面内における導波方向からの角度として定義する。この面内で、基本波は、導波モードが、一つの平面波がコアとクラッドの界面で全反射を繰り返して伝搬するときの干渉により形成されていると近似した場合の、この一つの平面波を表す。基本波は、図３に示すように、導波モードの波数ベクトルの、導波方向に平行な成分を表すベクトル３０１をｋｚ＝（０、０、ｋｚ）、とした場合、真空中でｋ０の波数ベクトル３０２をもつ平面波として定義される。この際、波数ベクトルｋ０と波数ベクトルｋｚのなす角度を有効伝搬角度θｅｆｆと称し、波数ベクトルと有効伝搬角度θｅｆｆは下記の式（２）により関係づけられているものとする。波数ベクトルｋｘ＝（ｋｘ、０、０）３０３は、波数ベクトルの対向方向の成分を表すベクトルである。
導波路の中に形成される導波モードはその次数に応じてそれぞれ異なる有効伝搬角度を有するが、周期共鳴導波モードが周期構造体の周期性と強く共鳴する導波モードであるため、その有効伝搬角度は、周期構造体の周期性とＸ線の波長の間で決まるブラッグ角に近い角度となる。現実のブラッグ角にはブラッグ角度域として幅が存在するが、本発明におけるブラッグ角は、周期共鳴導波モードの基本波の有効伝搬角度を表すものとして、現実のブラッグ角度域のうち最小の角度を示すものとする。また本実施形態のＸ線導波路は、このブラッグ角として定義された有効伝搬角度で伝搬する基本波が、コアとクラッドの界面での全反射によりコアに閉じ込められなくてはならないため、ブラッグ角がコアとクラッドの界面での全反射臨界角よりも小さくなるように構成されている。周期共鳴導波モードは、Ｘ線が周期構造体中の界面での部分反射、屈折を繰り返すことにより起こる多重干渉に基づく周期構造体の周期性と共鳴する導波モードである。また、対向方向において、周期共鳴導波モードの電磁場分布は周期性を有し、この周期性は対向方向におけるコアの周期性と一致する。このとき周期共鳴導波モードの電磁場分布における腹が、コアの周期構造の屈折率実部が大きい、つまり吸収損失が小さい部分に位置するため、周期共鳴導波モードの伝搬損失が他の導波モードよりも小さくなる。さらに、対向方向におけるコアの周期性と全反射による閉じ込めにより、周期共鳴導波モードはＸ線が周期構造中で強い分布帰還作用を受けた結果得られる導波モードとなり、電磁場分布がコアの中心に集中した包絡形状を有し、クラッドへの電磁場のしみ出しが小さく抑えられた導波モードとなる。このように、周期共鳴導波モードの伝搬損失は他の導波モードの伝搬損失よりも小さくなるため、導波路中を十分な距離だけ伝搬した結果単一の導波モードとして周期共鳴導波モードが選択される。周期共鳴導波モードのこれらの特性は、Ｘ線が対向方向におけるコアの幅およびコアの周期構造体の周期性の両方と共鳴することにより、発現される。 The guided modes formed in the waveguide have different effective propagation angles depending on their orders, but the periodic resonant guided mode is a guided mode that strongly resonates with the periodicity of the periodic structure. The effective propagation angle is an angle close to the Bragg angle determined between the periodicity of the periodic structure and the wavelength of the X-ray. The actual Bragg angle has a width as the Bragg angle range, but the Bragg angle in the present invention represents the effective propagation angle of the fundamental wave of the periodic resonant waveguide mode, and is the smallest angle in the actual Bragg angle range. It shall be shown. In the X-ray waveguide of this embodiment, the fundamental wave propagating at the effective propagation angle defined as the Bragg angle must be confined in the core by total reflection at the interface between the core and the clad. Is configured to be smaller than the critical angle for total reflection at the interface between the core and the clad. The periodic resonance waveguide mode is a waveguide mode that resonates with the periodicity of the periodic structure based on multiple interference caused by repeated X-ray partial reflection and refraction at the interface in the periodic structure. In the facing direction, the electromagnetic field distribution of the periodic resonant waveguide mode has periodicity, and this periodicity coincides with the periodicity of the core in the facing direction. At this time, the antinodes in the electromagnetic field distribution of the periodic resonant waveguide mode are located in the portion where the real part of the refractive index of the periodic structure of the core is large, that is, the portion where the absorption loss is small. Smaller than mode. In addition, due to the periodicity of the core in the opposite direction and confinement due to total reflection, the periodic resonant waveguide mode becomes a waveguide mode obtained as a result of the strong distributed feedback effect of X-rays in the periodic structure, and the electromagnetic field distribution is the center of the core. The waveguide mode has an envelope shape that is concentrated on the clad and suppresses the leakage of the electromagnetic field to the cladding. Thus, since the propagation loss of the periodic resonant waveguide mode is smaller than the propagation loss of other waveguide modes, the periodic resonant waveguide mode becomes a single guided mode as a result of propagating a sufficient distance in the waveguide. Is selected. These characteristics of the periodic resonant waveguide mode are manifested by the X-rays resonating with both the width of the core in the opposing direction and the periodicity of the core periodic structure.
本実施形態のＸ線導波路は、上記周期共鳴導波モードを形成することのできる図２で示すＸ線導波路に、界面方向の規則的な凹凸構造として、図１（ｂ）に示したようなコアとクラッドの界面の１次元周期構造を導入したものである。説明のために、コアとクラッドの界面が界面方向において１次元周期構造を有する場合を図４に、例として示す。図４のＸ線導波路は、屈折率実部の大きい物質層４０５および屈折率実部の小さい物質層４０６によりなる周期構造体であるコア４０１を対向する二つのクラッド４０２および４０３が挟む構成のものである。一方のクラッド４０３に接するコアとクラッドの界面４０４は、界面方向において凹凸構造を有しており、これに従って対向方向におけるコアの幅に周期的な増減が生じている。対向方向におけるコアの幅が広い領域を４０７、狭い領域を４０８とし、これらの幅の最大変化量を４０９とする。ただし、図４の例の場合は、変化量は一定である。 The X-ray waveguide of this embodiment is shown in FIG. 1B as a regular uneven structure in the interface direction in the X-ray waveguide shown in FIG. 2 capable of forming the above-described periodic resonance waveguide mode. Such a one-dimensional periodic structure at the interface between the core and the clad is introduced. For explanation, the case where the interface between the core and the clad has a one-dimensional periodic structure in the interface direction is shown as an example in FIG. The X-ray waveguide of FIG. 4 has a structure in which two clads 402 and 403 facing each other sandwich a core 401 that is a periodic structure made of a material layer 405 having a large real refractive index part and a material layer 406 having a small real refractive index part. Is. The core-cladding interface 404 in contact with one of the clads 403 has a concavo-convex structure in the interface direction, and accordingly, the core width in the facing direction is periodically increased or decreased. A region where the width of the core in the facing direction is 407 is wide, and a region where the core is narrow is 408. The maximum change amount of these widths is 409. However, in the example of FIG. 4, the amount of change is constant.
図４のようにコアとクラッドの界面に、界面横断方向における１次元周期構造を有するＸ線導波路において、界面横断方向における１次元周期構造により、２次元の周期共鳴導波モードを形成することができる。本発明のＸ線導波路の、界面横断方向における周期構造に起因する、対向方向におけるコアの幅の最大変化量４０９（コアの凸部の頂面とコアの凹部の底面との距離であり、凹凸差とも記載することができる）が、コアの周期の自然数倍であるように構成することにより、２次元の周期共鳴導波モードを形成することができる。この場合、対向方向におけるコアの幅が広い領域と狭い領域の両方において、周期構造体の周期とコアの幅の両方に共鳴できる同一の周期共鳴導波モードが存在する。従って、導波断面におけるこの導波モードの電磁場は、コアの幅が広い領域と狭い領域の両方に広がったものとなる。ただし、導波断面においてコアの幅が変化しているので、このときの導波モードは、コアの幅の変化に応じた電磁場分布を示すものとなり、導波断面で２次元方向に制御された２次元の周期共鳴導波モードとなる。この２次元の周期共鳴導波モードは、導波断面での界面横断方向および対向方向においてコア全体にわたってＸ線が干渉する結果形成されるモードなので、コア全体での導波断面における位相がそろったモードである。 As shown in FIG. 4, in an X-ray waveguide having a one-dimensional periodic structure in the cross-interface direction at the core-cladding interface, a two-dimensional periodic resonant waveguide mode is formed by the one-dimensional periodic structure in the cross-interface direction. Can do. In the X-ray waveguide of the present invention, due to the periodic structure in the cross-interface direction, the maximum change amount 409 of the core width in the facing direction (the distance between the top surface of the core convex portion and the bottom surface of the core concave portion, Although it can also be described as unevenness difference), it is possible to form a two-dimensional periodic resonant waveguide mode by configuring it to be a natural number multiple of the period of the core. In this case, the same periodic resonant waveguide mode that can resonate with both the period of the periodic structure and the width of the core exists in both the wide area and the narrow area of the core in the facing direction. Therefore, the electromagnetic field of this guided mode in the waveguide cross section extends to both the wide region and the narrow region of the core. However, since the width of the core is changed in the waveguide cross section, the guided mode at this time shows an electromagnetic field distribution corresponding to the change in the width of the core, and is controlled in the two-dimensional direction in the waveguide cross section. It becomes a two-dimensional periodic resonance waveguide mode. This two-dimensional periodic resonant waveguide mode is a mode formed as a result of X-ray interference across the entire core in the cross-interface direction and the opposite direction in the waveguide cross section, so that the phase in the waveguide cross section in the entire core is aligned. Mode.
また、本実施形態のＸ線導波路を、対向方向におけるコアの幅の最大変化量４０９が、コアの周期の正の半整数倍であるように構成することにより、２次元の周期共鳴導波モードを形成することができる。対向方向におけるコアの幅が変化している場合に、コアの幅が広い領域と狭い領域の幅の変化量を半整数倍として導波路を構成すると、一方の領域の幅と周期性にＸ線が共鳴できても、もう一方の領域ではＸ線がコアの幅または周期性のどちらか一方にしか共鳴できない条件を生ずる。この場合、後者の領域には導波モードを形成することができず、結果として前者の領域にＸ線が局在するような、導波断面で２次元方向に制御された２次元の周期共鳴導波モードが形成される。この２次元の周期共鳴導波モードも、導波断面での界面横断方向および対向方向においてコア全体にわたってＸ線が干渉する結果形成されるモードなので、コア全体での導波断面における位相がそろったモードである。 Further, the X-ray waveguide according to the present embodiment is configured such that the maximum change amount 409 of the core width in the facing direction is a positive half integer multiple of the core period, whereby a two-dimensional periodic resonance waveguide. A mode can be formed. When the width of the core in the facing direction is changed and the waveguide is configured with the change amount of the width of the wide area and the narrow area as a half integer multiple, the width and periodicity of the one area are reduced by X-rays. Can resonate, but in the other region, the X-ray can resonate only with either the core width or the periodicity. In this case, a waveguide mode cannot be formed in the latter region, and as a result, two-dimensional periodic resonance controlled in a two-dimensional direction in the waveguide cross section so that X-rays are localized in the former region. A guided mode is formed. This two-dimensional periodic resonant waveguide mode is also a mode formed as a result of X-ray interference across the entire core in the cross-interface direction and the opposite direction in the waveguide cross section, so the phase in the waveguide cross section in the entire core is aligned. Mode.
したがって、クラッドが対向する方向におけるコアの幅の最大変化量は、コアが有する一次元周期構造の周期の自然数倍もしくは半整数倍であることが好ましい。 Therefore, it is preferable that the maximum change amount of the width of the core in the direction in which the clad faces is a natural number multiple or a half integer multiple of the period of the one-dimensional periodic structure of the core.
コアが対向方向における周期構造である場合、上記のコアの幅の最大変化量が対向方向における周期の自然数倍または半整数倍という値から大きく外れてしまう際には、導波断面における明確な導波モードの制御を行うことができない場合がある。図８は、幅の最大変化量が対向方向の周期の自然数倍および半整数倍から大きく外れている場合の例において、導波モードが界面横断方向で明確に制御されていない様子を表す、導波断面における図である。８０２、８０３はタングステンからなるクラッドであり、８０１が厚さ１２ナノメートルの炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）と厚さ３ナノメートルの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が交互に積層された、１５ｎｍの周期を有する周期性多層膜からなるコアである。コアが広い領域８０４のコアの幅は７５０ｎｍであり、コアが狭い領域８０５のコアの幅は、４４６．２５ｎｍである。コアの幅の最大変化量は３０３．７５ｎｍで、これは２０．２５周期分に相当し、この値は対向方向におけるコアの周期の自然数倍でも半整数倍でもない。図８において、白い点線はコアとクラッドの界面を示すが、図の明確化のためにコアをなす周期構造中の各層間の界面は省略してある。図８において、色の明るい部分がＸ線の電場強度の高い部分、暗い部分が電場強度の低い部分に相当する。図８からは、導波断面における導波モードが界面方向の周期性に起因して明確に制御されておらず複雑なものになってしまっていることがわかる。 When the core has a periodic structure in the opposing direction, when the maximum change in the width of the core deviates greatly from the value of a natural number or half integer multiple of the period in the opposing direction, there is a clear difference in the waveguide cross section. In some cases, the waveguide mode cannot be controlled. FIG. 8 shows a state where the waveguide mode is not clearly controlled in the cross-interface direction in an example in which the maximum amount of change in the width is greatly different from the natural number multiple and half-integer multiple of the period in the facing direction. It is a figure in a waveguide cross section. Reference numerals 802 and 803 denote claddings made of tungsten, and 801 has a 15 nm thickness in which boron carbide (B 4 C) having a thickness of 12 nanometers and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a thickness of 3 nanometers are alternately stacked. The core is composed of a periodic multilayer film having a period. The core width of the wide core region 804 is 750 nm, and the core width of the narrow core region 805 is 446.25 nm. The maximum change in the core width is 303.75 nm, which corresponds to 20.25 periods, and this value is neither a natural number nor a half integer multiple of the core period in the facing direction. In FIG. 8, the white dotted line shows the interface between the core and the clad, but the interface between the layers in the periodic structure forming the core is omitted for the sake of clarity. In FIG. 8, a bright portion corresponds to a portion where the electric field strength of X-rays is high, and a dark portion corresponds to a portion where the electric field strength is low. FIG. 8 shows that the waveguide mode in the waveguide cross section is not clearly controlled due to the periodicity in the interface direction and is complicated.
また、コアが対向方向における周期構造である場合、コアの幅の最大変化量は、コアの対向方向における周期の１周期分以上であり、コアの狭い領域における対向方向の厚さが、対向方向における周期の１周期分以上であることが好ましい。本実施形態のＸ線導波路のコアを、対向方向における周期性を有する周期構造体で構成する場合、周期構造体として周期性多層膜を用いて、本発明のＸ線導波路を構成することができる。周期性多層膜中での多重干渉効果を十分に引き出すという観点から、周期性多層膜の周期数は２０以上であることが好ましい。また、周期性多層膜中での共鳴モードのＸ線をコアとクラッドの界面での全反射により閉じ込めるために、扱うＸ線の波長と周期性多層膜の周期性との間で決まるブラッグ角が、コアとクラッドの界面における全反射臨界角よりも小さくなるように、周期性多層膜は構成されるものとする。周期性多層膜は複数の屈折率実部の異なる物質を周期的に積層した構造の膜であるが、例えば屈折率実部の大きい材料としてベリリウム（Ｂｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、炭素（Ｃ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、屈折率実部の小さい材料として酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などが挙げられるが、これらに限定するものではない。例えば、周期性多層膜をＢ４ＣとＡｌ２Ｏ３が交互に積層されたもので、クラッドをＷで構成し、扱うＸ線の光子エネルギーを８キロエレクトロンボルトとした場合、周期性多層膜の周期は１５ナノメールであることが好ましいが、これに限定するものではない。また、周期性多層膜の作製方法としてはスパッタ法などが挙げられる。 Further, when the core has a periodic structure in the facing direction, the maximum change in the width of the core is equal to or more than one cycle of the period in the facing direction of the core, and the thickness in the facing direction in the narrow region of the core is the facing direction. It is preferable that it is one period or more of the period in. When the core of the X-ray waveguide according to the present embodiment is configured with a periodic structure having periodicity in the opposing direction, the X-ray waveguide according to the present invention is configured using a periodic multilayer film as the periodic structure. Can do. From the viewpoint of sufficiently extracting the multiple interference effect in the periodic multilayer film, the number of periods of the periodic multilayer film is preferably 20 or more. Also, in order to confine resonance mode X-rays in the periodic multilayer film by total reflection at the interface between the core and the clad, the Bragg angle determined between the wavelength of the handled X-rays and the periodicity of the periodic multilayer film is The periodic multilayer film is configured to be smaller than the total reflection critical angle at the interface between the core and the clad. The periodic multilayer film is a film having a structure in which a plurality of substances having different real parts of the refractive index are periodically stacked. For example, beryllium (Be), boron (B), boron carbide (B 4 C), carbon (C), boron nitride (BN), and materials having a small real part of refractive index, such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), magnesium oxide (MgO) and the like are exemplified, but not limited thereto. For example, when the periodic multilayer film is formed by alternately laminating B 4 C and Al 2 O 3 , the cladding is composed of W, and the X-ray photon energy to be handled is 8 kiloelectron volts, the periodic multilayer film The period is preferably 15 nanomails, but is not limited thereto. Further, as a method for manufacturing the periodic multilayer film, a sputtering method or the like can be given.
本実施形態のＸ線導波路のコアを、対向方向における周期性を有する周期性多層膜で構成する場合、周期性多層膜としてラメラ構造のメソ構造体を用いることにより、本発明のＸ線導波路を構成することができる。ラメラ構造のメソ構造体である周期性多層膜の周期および周期数に関しても、上記の条件を満たすものとする。ラメラ構造のメソ構造体は、両親媒性分子の自己集合により形成される１次元周期構造体である。このようなメソ構造体は、シリカや酸化スズ、酸化チタンなどの酸化物と有機物が交互に重なった構成のものであり、ゾル−ゲル法などによって作製が可能である。 In the case where the core of the X-ray waveguide of this embodiment is formed of a periodic multilayer film having periodicity in the facing direction, a lamellar mesostructure is used as the periodic multilayer film, whereby the X-ray waveguide of the present invention is used. A waveguide can be constructed. The above condition is also satisfied with respect to the period and the number of periods of the periodic multilayer film, which is a mesostructure of a lamellar structure. A lamellar mesostructure is a one-dimensional periodic structure formed by self-assembly of amphiphilic molecules. Such a mesostructure has a structure in which an oxide and an organic substance such as silica, tin oxide, and titanium oxide are alternately overlapped, and can be manufactured by a sol-gel method or the like.
また、本実施形態のＸ線導波路のコアを、対向方向における周期性を有する周期構造体で構成する場合、周期構造体としてラメラ構造のメソ構造体に限らず、酸化物材料中に中空の孔や有機分子の集合体が、導波断面で周期的に配列された、メソポーラス材料に代表されるメソ構造体を周期構造体として用いることもできる。特に導波方向に垂直な面内で２次元的な構造を有するメソ構造体が好ましく用いられ、この場合、対向方向において、平均的な屈折率が周期的に変化する１次元的な周期構造を有すると考えることができるため、本発明のＸ線導波路のコアを構成する周期構造体として好ましく用いることができる。 Further, when the core of the X-ray waveguide according to the present embodiment is configured by a periodic structure having periodicity in the facing direction, the periodic structure is not limited to a mesostructure having a lamellar structure, and is hollow in the oxide material. A mesostructure represented by a mesoporous material in which pores and organic molecule aggregates are periodically arranged in a waveguide cross section can also be used as the periodic structure. In particular, a mesostructure having a two-dimensional structure in a plane perpendicular to the waveguide direction is preferably used. In this case, a one-dimensional periodic structure in which the average refractive index periodically changes in the opposite direction. Therefore, it can be preferably used as a periodic structure constituting the core of the X-ray waveguide of the present invention.
特にメソ構造体において孔やボイド中の有機物を除去した、メソポーラス材料の周期構造体が好ましくもちいられる。このメソポーラス材料は中空の構造であるため、Ｘ線の吸収損失を低減することができる。Ｘ線の減衰を低く抑えるためにこれらの孔は配向制御されていてもよい。前述したように、本明細書中では、空気や真空も「物質」の概念に包含させている。したがって、メソポーラス材料の孔の部分が空気や真空であったとしても、屈折率の異なる部分を有するので、複数の物質から構成されたメソ構造体ということができる。 In particular, a periodic structure of a mesoporous material from which organic substances in pores and voids are removed in the mesostructure is preferably used. Since this mesoporous material has a hollow structure, X-ray absorption loss can be reduced. These holes may be orientation controlled in order to keep X-ray attenuation low. As described above, in this specification, air and vacuum are included in the concept of “substance”. Therefore, even if the hole portion of the mesoporous material is air or vacuum, it has a portion having a different refractive index, so that it can be said to be a mesostructure composed of a plurality of substances.
本実施形態におけるメソ構造体の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、分子集合体を形成し得る両親媒性物質（特に界面活性剤）の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させることによって調製される。 The method for preparing the mesostructure in the present embodiment is not particularly limited. For example, an inorganic oxide precursor is added to a solution of an amphiphile (particularly a surfactant) that can form a molecular assembly. Is added to form a film, and the inorganic oxide production reaction proceeds.
また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。 In addition to the surfactant, an additive for adjusting the structural period may be added. Examples of the additive for adjusting the structure period include hydrophobic substances. Examples of the hydrophobic substance include alkanes and aromatic compounds not containing a hydrophilic group, and specific examples thereof include octane.
無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。 Examples of inorganic oxide precursors include silicon and metal element alkoxides and chlorides. More specific examples include alkoxides and chlorides of Si, Sn, Zr, Ti, Nb, Ta, Al, W, Hf, and Zn. Examples of the alkoxide include methoxide, ethoxide, propoxide, or one in which a part thereof is substituted with an alkyl group. Examples of the film forming method include a dip coating method, a spin coating method, and a hydrothermal synthesis method.
メソ構造体の構造の制御は、上記作製プロセスにおける材料、プロセス条件を適宜変化させることにより、行うことができる。また、１軸配向性の２次元周期構造を有するメソポーラス材料を作成する際は、上記作製プロセスの前プロセスとして、例えば基板上にラビング工程を経て得られる１軸配向性のポリイミド膜などを形成する工程を設ける。 Control of the structure of the mesostructure can be performed by appropriately changing materials and process conditions in the manufacturing process. Further, when a mesoporous material having a uniaxially oriented two-dimensional periodic structure is produced, a uniaxially oriented polyimide film obtained through a rubbing process, for example, is formed on the substrate as a pre-process of the production process. A process is provided.
以下、図面を参照して本発明を実施時例により更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
（実施例１）
図５（ａ）は、実施例１のＸ線導波路を表す斜視図である。図５（ａ）中、Ｘ線の導波方向をｚ方向、対向方向をｘ方向、界面横断方向をｙ方向とする。この導波路は、炭素（Ｃ）からなるコア５０１をニッケル（Ｎｉ）からなる下部クラッド５０２と上部クラッド５０３が挟んでいる構成となっており、Ｓｉ基板５０９上に形成されているものである。コア５０１と上部クラッド５０３の界面５０４は、界面横断方向において周期的な凹凸からなる１次元周期構造を有し、対向方向におけるコアの幅が広い領域５０５と狭い領域５０６が存在する。本実施例のＸ線導波路の界面横断方向における長さは１０ミリメートルと非常に広いので、図５（ａ）ではその一部を示してある。領域５０５と領域５０６の界面横断方向における長さはそれぞれ、３０、２０ナノメートルである。また対向方向における領域５０５でのコアの幅５０７、および領域５０６でのコアの幅５０８はそれぞれ、２０、１０ナノメートルであり、コアの幅が広い領域５０５における上部クラッド５０３の最上部の厚さ５１０は２０ナノメートルである。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板５０９上にスパッタ法により順次、厚さ２０ナノメートルの下部クラッド５０２をなすＮｉ、コアをなす厚さ２０のＣを積層した後、電子線リソグラフィーとドライエッチングプロセスにより、コアの表面に界面横断方向の周期的な凹凸構造を形成し、その上に上部クラッド５０３をなすＮｉをスパッタにより成膜したものである。
Example 1
FIG. 5A is a perspective view illustrating the X-ray waveguide according to the first embodiment. In FIG. 5A, the waveguide direction of X-rays is the z direction, the facing direction is the x direction, and the cross-interface direction is the y direction. This waveguide has a configuration in which a core 501 made of carbon (C) is sandwiched between a lower clad 502 made of nickel (Ni) and an upper clad 503, and is formed on an Si substrate 509. The interface 504 between the core 501 and the upper clad 503 has a one-dimensional periodic structure composed of periodic irregularities in the cross-interface direction, and there are a region 505 where the width of the core is wide and a region 506 where the core is narrow in the facing direction. Since the length in the cross-interface direction of the X-ray waveguide of this example is as wide as 10 millimeters, a part of it is shown in FIG. The lengths of the regions 505 and 506 in the cross-interface direction are 30 and 20 nanometers, respectively. In addition, the core width 507 in the region 505 and the core width 508 in the region 506 in the facing direction are 20 and 10 nanometers, respectively, and the thickness of the uppermost portion of the upper cladding 503 in the region 505 having a wide core width 510 is 20 nanometers. The X-ray waveguide of this example is obtained by sequentially depositing Ni forming the lower clad 502 having a thickness of 20 nm and C having a thickness forming the core on the Si substrate 509 by sputtering, followed by electron beam lithography. A periodic uneven structure in the cross-interface direction is formed on the surface of the core by a dry etching process, and Ni forming the upper clad 503 is formed thereon by sputtering.
図５（ｂ）は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対する計算により得られた、本実施例のＸ線導波路中に形成される導波モードの導波断面における電場強度分布を示すグラフである。本実施例のＸ線導波路は、界面横断方向において周期性を有するので、その単位格子に相当する領域、例えば領域５１１だけを図５（ｂ）に示すものとする。図５（ｂ）中の白い破線は導波断面における導波路構造中のコア−クラッド境界を表し、白黒の濃淡により電磁場強度の分布を表す。白い部分ほど電場強度が大きい部分であり、図５（ｂ）から、対向方向におけるコアの幅が広い領域に電場が集中した２次元の導波モードが形成されていることがわかる。導波断面において電場が一部分に集中しているが、対向方向および界面横断方向においてコア全体にわたってＸ線が干渉することによりこのような分布が形成されているものであるため、この導波モードの位相は、導波断面におけるコア全体にわたって揃っている。本実施例のＸ線導波路の導波断面に平行な端面に、界面横断方向に垂直な面内で導波方向と入射角度０°をなすように、Ｘ線を入射することにより、図５（ｂ）で示される電場強度分布をもつ単一の２次元導波モードを励起することができる。 FIG. 5B is a graph showing the electric field intensity distribution in the waveguide cross section of the waveguide mode formed in the X-ray waveguide of this example, which was obtained by the calculation for the X-ray with the photon energy of 8 kiloelectron volts. It is. Since the X-ray waveguide of this embodiment has periodicity in the interface crossing direction, only the region corresponding to the unit cell, for example, the region 511 is shown in FIG. The white broken line in FIG. 5B represents the core-cladding boundary in the waveguide structure in the waveguide cross section, and the distribution of the electromagnetic field intensity is represented by black and white shading. The white portion is the portion where the electric field strength is high, and FIG. 5B shows that a two-dimensional waveguide mode in which the electric field is concentrated is formed in a region where the core width is wide in the facing direction. Although the electric field is concentrated on a part of the waveguide cross section, such a distribution is formed by the X-ray interference across the entire core in the opposite direction and the cross-interface direction. The phase is uniform throughout the core in the waveguide cross section. By making X-rays incident on an end face parallel to the waveguide cross section of the X-ray waveguide of this embodiment so that the incident angle is 0 ° with respect to the waveguide direction in a plane perpendicular to the interface transverse direction, FIG. A single two-dimensional waveguide mode having the electric field intensity distribution shown in (b) can be excited.
（実施例２）
図６（ａ）は、実施例２のＸ線導波路を表す斜視図である。図６（ａ）中、Ｘ線の導波方向をｚ方向、対向方向をｘ方向、界面横断方向をｙ方向とする。この導波路は、コア６０１をタングステン（Ｗ）からなる下部クラッド６０２と上部クラッド６０３が挟んでいる構成となっており、Ｓｉ基板６１２上に形成されているものである。コア６０１と上部クラッド６０３の界面６０６は、界面横断方向において周期的な凹凸からなる１次元周期構造を有し、対向方向におけるコアの幅が広い領域６０７と狭い領域６０８が存在する。本実施例のＸ線導波路の界面方向における長さは１０ミリメートルと非常に広いので、図６（ａ）ではその一部を示してあるが、本実施例のＸ線導波路は、界面横断方向の端にも厚さ２０ナノメートルのタングステン（Ｗ）が形成されており、界面横断方向へのＸ線の漏れを抑制する構造となっている。コア６０１は、屈折率実部の大きい材料である炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）からなる厚さ１２ナノメートルの高屈折率層６０４と屈折率実部の小さい材料である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる厚さ３ナノメートルの低屈折率層６０５が交互に周期的に積層された周期性多層膜であり、その周期は１５ナノメートルである。領域６０７と領域６０８の界面横断方向における長さはそれぞれ、３０ナノメートルと２０ナノメートルである。
(Example 2)
FIG. 6A is a perspective view illustrating an X-ray waveguide according to the second embodiment. In FIG. 6A, the X-ray waveguide direction is the z direction, the opposing direction is the x direction, and the cross-interface direction is the y direction. This waveguide has a structure in which a core 601 is sandwiched between a lower clad 602 and an upper clad 603 made of tungsten (W), and is formed on an Si substrate 612. The interface 606 between the core 601 and the upper clad 603 has a one-dimensional periodic structure composed of periodic irregularities in the cross-interface direction, and there are a region 607 where the core is wide and a region 608 where the core is wide in the facing direction. Since the length in the interface direction of the X-ray waveguide of this embodiment is as wide as 10 millimeters, a part of the length is shown in FIG. 6A. Tungsten (W) having a thickness of 20 nanometers is also formed at the end in the direction, and has a structure that suppresses leakage of X-rays in the cross-interface direction. The core 601 includes a high refractive index layer 604 having a thickness of 12 nanometers made of boron carbide (B 4 C), which is a material with a large real part of refractive index, and aluminum oxide (Al 2 O 3), which is a material with a small real part of refractive index. ) And a low refractive index layer 605 having a thickness of 3 nanometers alternately and periodically laminated, and the period thereof is 15 nanometers. The lengths of the regions 607 and 608 in the cross-interface direction are 30 nanometers and 20 nanometers, respectively.
また対向方向における領域６０７でのコアの幅６０９は７５０ｎｍで、これは周期性多層膜の５０周期分に相当し、一方、領域６０８でのコアの幅６１０は４５０ｎｍで、これは周期性多層膜の３０周期分に相当する。ただし、どちらの領域においてもクラッドと接する部分のコアの層は、低屈折率層６０５となるように構成されている。その結果、領域６０７と領域６０８の対向方向におけるコアの幅の最大変化量６１４は３００ｎｍとなり、これは周期性多層膜の２０周期分に相当し、周期の自然数倍となっている。上部クラッドのコアの広い領域６０６部位での厚さ６１１は２０ナノメートルである。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板６１２上にスパッタ法により、厚さ２０ナノメートルの下部クラッド６０２のタングステン（Ｗ）を成膜した上に、Ａｌ２Ｏ３からなる低屈折率層６０５とＢ４Ｃからなる高屈折率層６０５を交互に５０周期分積層した後、電子線リソグラフィーとドライエッチングプロセスにより、コアの表面に界面横断方向の周期的な凹凸構造を形成し、その上に上部クラッド６０３としてのＷをスパッタにより成膜したものである。 The core width 609 in the region 607 in the opposite direction is 750 nm, which corresponds to 50 periods of the periodic multilayer film, while the core width 610 in the region 608 is 450 nm, which is the periodic multilayer film. Is equivalent to 30 cycles. However, the core layer in the portion in contact with the clad in either region is configured to be the low refractive index layer 605. As a result, the maximum change amount 614 of the core width in the opposing direction of the region 607 and the region 608 is 300 nm, which corresponds to 20 periods of the periodic multilayer film, and is a natural number multiple of the period. The thickness 611 at the large region 606 of the upper cladding core is 20 nanometers. In the X-ray waveguide of this example, a tungsten (W) film of a lower clad 602 having a thickness of 20 nanometers is formed on a Si substrate 612 by sputtering, and then a low refractive index layer made of Al 2 O 3. After alternately stacking high-refractive index layers 605 composed of 605 and B 4 C for 50 cycles, a periodic uneven structure in the cross-interface direction is formed on the surface of the core by electron beam lithography and dry etching process, The upper clad 603 is formed by sputtering W.
図６（ｂ）は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対する計算により得られた、本実施例のＸ線導波路中に形成される導波モードの導波断面における電場強度分布を示すグラフである。本実施例のＸ線導波路は、界面横断方向において周期性を有するので、その単位格子に相当する領域、例えば領域６１３だけを図６（ｂ）に示すものとする。図６（ｂ）中の白い破線は導波断面における導波路構造中のコアークラッド境界を表し、白黒の濃淡により電磁場強度の分布を表す。ただし、図が不明瞭になることを避けるために、コアの周期性多層膜中の材料の境界は、省略してある。白い部分ほど電場強度が大きい部分であり、図６（ｂ）から、対向方向におけるコアの幅が広い領域に電場が集中した２次元の導波モードが形成されていることがわかる。特に本実施例では、コアとして周期性多層膜を用いているので、図６（ｂ）で示されるように、電場強度分布中の対向方向における細かいフリンジの周期が周期性多層膜の周期と一致した、周期共鳴導波モードが支配的な導波モードとなることがわかる。また、本実施例のＸ線導波路では、対向方向のコア幅が広い領域と狭い領域とのコアの幅の最大変化量が整数倍となっているので、どちらの領域においても周期共鳴導波モードが形成され、その電場強度分布はどちらの領域にも広がったものとなる。導波断面におけるこのような電磁場分布は、対向方向および界面横断方向においてコア全体にわたってＸ線が干渉することによりこのような分布が形成されているものであるため、この導波モードの位相は、導波断面におけるコア全体にわたって揃っている。本実施例のＸ線導波路の導波断面に平行な端面に、界面横断方向に垂直な面内で導波方向と入射角度約０．３°をなすように、Ｘ線を入射することにより、図６（ｂ）で示される電場強度分布をもつ単一の２次元導波モードを励起することができる。 FIG. 6B is a graph showing the electric field intensity distribution in the waveguide cross section of the waveguide mode formed in the X-ray waveguide of this example, which was obtained by the calculation with respect to the X-ray having the photon energy of 8 kiloelectron volts. It is. Since the X-ray waveguide of the present embodiment has periodicity in the interface crossing direction, only the region corresponding to the unit cell, for example, the region 613 is shown in FIG. The white broken line in FIG. 6B represents the core-cladding boundary in the waveguide structure in the waveguide cross section, and the distribution of the electromagnetic field strength is represented by black and white shading. However, in order to avoid obscuring the figure, the boundary of the material in the periodic multilayer film of the core is omitted. The white portion is the portion where the electric field strength is high, and FIG. 6B shows that a two-dimensional waveguide mode in which the electric field is concentrated is formed in a region where the core width is wide in the facing direction. In particular, in this embodiment, since a periodic multilayer film is used as the core, as shown in FIG. 6B, the period of fine fringes in the opposite direction in the electric field intensity distribution matches the period of the periodic multilayer film. It can be seen that the periodic resonant waveguide mode becomes the dominant waveguide mode. Further, in the X-ray waveguide of this embodiment, the maximum amount of change in the core width between the wide area and the narrow area in the opposing direction is an integral multiple, so that in both areas, the periodic resonance waveguide is used. A mode is formed, and the electric field intensity distribution extends to both regions. Since such an electromagnetic field distribution in the waveguide cross section is formed by the X-ray interference across the entire core in the opposite direction and the cross-interface direction, the phase of this guided mode is The entire core in the waveguide cross section is aligned. By making X-rays incident on the end face parallel to the waveguide cross section of the X-ray waveguide of this embodiment so that the incident angle is about 0.3 ° with the waveguide direction in a plane perpendicular to the transverse direction of the interface. A single two-dimensional guided mode having the electric field intensity distribution shown in FIG. 6B can be excited.
（実施例３）
図７（ａ）は、本発明の実施例３のＸ線導波路を表す斜視図である。図７（ａ）中、Ｘ線の導波方向をｚ方向、対向方向をｘ方向、界面横断方向をｙ方向とする。この導波路は、コア７０１をタングステン（Ｗ）からなる下部クラッド７０２と上部クラッド７０３が挟んでいる構成となっており、Ｓｉ基板７１２上に形成されているものである。コア７０１と上部クラッド７０３の界面７０６は、界面横断方向において周期的な凹凸からなる１次元周期構造を有し、対向方向におけるコアの幅が広い領域７０７と狭い領域７０８が存在する。本実施例のＸ線導波路の界面横断方向における長さは１０ミリメートルと非常に広いので、図８（ａ）ではその一部を示してあるが、本実施例のＸ線導波路は、界面横断方向の端にも厚さ２０ナノメートルのタングステン（Ｗ）が形成されており、界面横断方向へのＸ線の漏れを抑制する構造となっている。コア７０１は、屈折率実部の大きい材料である炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）からなる厚さ１２ナノメートルの高屈折率層７０４と屈折率実部の小さい材料である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる厚さ３ナノメートルの低屈折率層７０５が交互に周期的に積層された周期性多層膜であり、その周期は１５ナノメートルである。領域７０７と領域７０８の界面横断方向における長さはそれぞれ、３０ナノメートルと２０ナノメートルである。また対向方向における領域７０７でのコアの幅７０９は７５０ｎｍで、これは周期性多層膜の５０周期分に相当し、一方、領域７０８でのコアの幅７１０は４４２．５ｎｍで、これは周期性多層膜の２９．５周期分に相当する。その結果、領域７０７と領域７０８の対向方向におけるコアの幅の最大変化量７１４は、３０７．５ｎｍとなり、これは周期性多層膜の２０．５周期分に相当し、周期の正の半整数倍となっている。上部クラッドのコアに広い領域７０６部位での厚さ７１１は２０ナノメートルである。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板７１２上にスパッタ法により、厚さ２０ナノメートルの下部クラッド７０２のタングステン（Ｗ）を成膜した上に、Ａｌ２Ｏ３からなる低屈折率層７０５とＢ４Ｃからなる高屈折率層７０５を交互に５０周期分積層した後、電子線リソグラフィーとドライエッチングプロセスにより、コアの表面に界面横断方向の周期的な凹凸構造を形成し、その上に上部クラッド７０３としてのＷをスパッタにより成膜したものである。
Example 3
FIG. 7A is a perspective view showing an X-ray waveguide according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 7A, the X-ray waveguide direction is the z direction, the opposing direction is the x direction, and the cross-interface direction is the y direction. This waveguide has a structure in which a core 701 is sandwiched between a lower clad 702 made of tungsten (W) and an upper clad 703, and is formed on a Si substrate 712. The interface 706 between the core 701 and the upper clad 703 has a one-dimensional periodic structure composed of periodic irregularities in the cross-interface direction, and there are a wide region 707 and a narrow region 708 in the opposing direction. Since the length of the X-ray waveguide in the present embodiment in the cross-interface direction is as wide as 10 millimeters, a part of the length is shown in FIG. Tungsten (W) having a thickness of 20 nanometers is also formed at the end in the transverse direction, and has a structure that suppresses X-ray leakage in the transverse direction of the interface. The core 701 includes a high refractive index layer 704 made of boron carbide (B 4 C), which is a material having a large real part of refractive index, and aluminum oxide (Al 2 O 3), which is a material having a small real part of refractive index. ) And a low refractive index layer 705 having a thickness of 3 nanometers alternately and periodically laminated, and the period thereof is 15 nanometers. The lengths of the regions 707 and 708 in the cross-interface direction are 30 nanometers and 20 nanometers, respectively. The core width 709 in the region 707 in the opposite direction is 750 nm, which corresponds to 50 periods of the periodic multilayer film, while the core width 710 in the region 708 is 442.5 nm, which is periodicity. This corresponds to 29.5 cycles of the multilayer film. As a result, the maximum change amount 714 of the core width in the facing direction of the region 707 and the region 708 is 307.5 nm, which corresponds to 20.5 periods of the periodic multilayer film, and is a positive half integer multiple of the period. It has become. The thickness 711 at a large region 706 in the upper clad core is 20 nanometers. In the X-ray waveguide of this example, a tungsten (W) film of a lower cladding 702 having a thickness of 20 nanometers is formed on a Si substrate 712 by sputtering, and then a low refractive index layer made of Al 2 O 3. After alternately stacking high-refractive index layers 705 made of 705 and B 4 C for 50 periods, a periodic uneven structure in the cross-interface direction is formed on the surface of the core by electron beam lithography and dry etching process. The upper clad 703 is formed by sputtering W.
図７（ｂ）は、光子エネルギー８キロエレクトロンボルトのＸ線に対する計算により得られた、本実施例のＸ線導波路中に形成される導波モードの導波断面における電場強度分布を示すグラフである。本実施例のＸ線導波路は、界面横断方向において周期性を有するので、その単位格子に相当する領域、例えば領域７１３だけを図７（ｂ）に示すものとする。図７（ｂ）中の白い破線は導波断面における導波路構造中の材料の境界を表し、白黒の濃淡により電磁場強度の分布を表す。ただし、図が不明瞭になることを避けるために、コアの周期性多層膜中の材料の境界は、省略してある。白い部分ほど電場強度が大きい部分であり、図７（ｂ）から、対向方向におけるコアの幅が広い領域に電場が集中した２次元の導波モードが形成されていることがわかる。特に本実施例では、コアとして周期性多層膜を用いているので、図７（ｂ）で示されるように、電場強度分布中の対向方向における細かいフリンジの周期が周期性多層膜の周期と一致した、周期共鳴導波モードが支配的な導波モードとなることがわかる。また、本実施例のＸ線導波路では、対向方向のコア幅が広い領域と狭い領域とのコアの幅の最大変化量が正の半整数倍となっており、対向方向において周期の整数倍の厚さを有する領域７０７に、より局在した２次元の周期共鳴導波モードが形成される。導波断面において電場が集中する部分とそうでない部分が存在しているが、対向方向および界面横断方向においてコア全体にわたってＸ線が干渉することによりこのような分布が形成されているものであるため、この導波モードの位相は、導波断面におけるコア全体にわたって揃っている。本実施例のＸ線導波路の導波断面に平行な端面に、界面横断方向に垂直な面内で導波方向と入射角度約０．３°をなすように、Ｘ線を入射することにより、図７（ｂ）で示される電場強度分布をもつ単一の２次元導波モードを励起することができる。 FIG. 7B is a graph showing the electric field intensity distribution in the waveguide cross section of the waveguide mode formed in the X-ray waveguide of the present example, obtained by calculation with respect to the X-ray of photon energy of 8 kV. It is. Since the X-ray waveguide of this embodiment has periodicity in the cross-interface direction, only the region corresponding to the unit cell, for example, the region 713 is shown in FIG. The white broken line in FIG.7 (b) represents the boundary of the material in the waveguide structure in a waveguide cross section, and the distribution of electromagnetic field intensity is represented by black and white shading. However, in order to avoid obscuring the figure, the boundary of the material in the periodic multilayer film of the core is omitted. The white portion is the portion where the electric field strength is high, and FIG. 7B shows that a two-dimensional waveguide mode in which the electric field is concentrated is formed in a region where the core width is wide in the facing direction. In particular, in this embodiment, since the periodic multilayer film is used as the core, as shown in FIG. 7B, the period of fine fringes in the opposite direction in the electric field intensity distribution coincides with the period of the periodic multilayer film. It can be seen that the periodic resonant waveguide mode becomes the dominant waveguide mode. Further, in the X-ray waveguide of this example, the maximum change amount of the core width between the wide area and the narrow area in the facing direction is a positive half-integer multiple, which is an integral multiple of the period in the facing direction. A more localized two-dimensional periodic resonant waveguide mode is formed in a region 707 having a thickness of λ. In the waveguide cross section, there are a portion where the electric field is concentrated and a portion where the electric field is not, but this distribution is formed by the X-ray interference over the entire core in the facing direction and the cross-interface direction. The phase of the waveguide mode is uniform over the entire core in the waveguide cross section. By making X-rays incident on the end face parallel to the waveguide cross section of the X-ray waveguide of this embodiment so that the incident angle is about 0.3 ° with the waveguide direction in a plane perpendicular to the transverse direction of the interface. A single two-dimensional waveguide mode having the electric field intensity distribution shown in FIG. 7B can be excited.
（実施例４）
本発明の実施例４のＸ線導波路は、実施例３で述べたＸ線導波路のコアである周期性多層膜をラメラ構造のメソ構造体に代えたものである。本実施例のＸ線導波路のコアをなすラメラ構造のメソ構造体は、シリコン基板上に形成したタングステンからなるクラッド上に形成されており、厚さ約７．７ナノメートルの屈折率実部の大きい物質である有機物の層と、厚さ約３．３ナノメートルの屈折率実部の小さい物質であるシリカの層が交互に積層されたもので、コアとクラッドの界面に垂直な方向において１次元の周期的な屈折率分布を与えている。このメソ構造体に電子線リソグラフィーとドライエッチングを施すことにより、実施例３と同様の、界面横断方向におけるコア表面の１次元周期構造を形成する。さらに、その上にスパッタ法により、上部クラッドとしてタングステンを成膜することにより、本実施例のＸ線導波路を形成する。このラメラ構造のメソ構造体の周期は、約１１ナノメートルである。対向方向でコアの幅が広い領域のコアの幅は５５０ｎｍで、これは周期数５０に対応する。一方、コアの幅が狭い領域のコアの幅は３２４．５ｎｍで、これは周期数２９．５に相当する。その結果、対向方向におけるコアの幅の最大変化量は、２２５．５ｎｍとなり、これは周期性多層膜の２０．５周期分に相当し、周期の正の半整数倍となっている。本実施例のラメラ構造のメソ構造体は、集合体が鋳型として機能する界面活性剤の溶液に、無機酸化物の前駆体を加えることで調製された前駆溶液を用いて、ディップコート法により形成されたものである。ここでは、界面活性剤としてブロックポリマーを、無機酸化物の前駆体としてテトラエトキシシランを用い、エタノールを溶媒とし、テトラエトキシシランの加水分解を行うための水、塩酸を加え、攪拌することで調製される。混合比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１、ブロックポリマー：０．０２６４、水：８、塩酸：０．０１、エタノール：４０である。ブロックポリマーとしては、ポリエチレングリコール（２０）−ポリプロピレングリコール（７０）−ポリエチレングリコール（２０）のトリブロックコポリマーを用いる。（カッコ内は各ブロックの繰り返し数）溶液の溶媒が揮発する過程において自己集合プロセスにより、ラメラ構造のメソ構造体が形成される。本実施例のＸ線導波路の導波断面に平行な端面に、界面横断方向に垂直な面内で導波方向と入射角度約０．４４°をなすように、Ｘ線を入射することにより、実施例３と同様の原理で、２次元の周期共鳴導波モードを形成することができる。
Example 4
The X-ray waveguide of Example 4 of the present invention is obtained by replacing the periodic multilayer film, which is the core of the X-ray waveguide described in Example 3, with a mesostructure having a lamellar structure. The mesostructure of lamellar structure that forms the core of the X-ray waveguide of this example is formed on a clad made of tungsten formed on a silicon substrate, and has a real part of refractive index of about 7.7 nanometers in thickness. A layer of organic material, which is a large material, and a layer of silica, which is a material with a small real part of refractive index of about 3.3 nanometers, are alternately stacked in a direction perpendicular to the interface between the core and the cladding. A one-dimensional periodic refractive index distribution is given. By applying electron beam lithography and dry etching to this mesostructure, a one-dimensional periodic structure of the core surface in the cross-interface direction is formed as in the third embodiment. Further, an X-ray waveguide of this embodiment is formed by depositing tungsten as an upper clad thereon by sputtering. The lamellar mesostructure has a period of about 11 nanometers. The width of the core in the region where the core is wide in the facing direction is 550 nm, which corresponds to a period number of 50. On the other hand, the core width in the region where the core width is narrow is 324.5 nm, which corresponds to a period number of 29.5. As a result, the maximum change amount of the core width in the facing direction is 225.5 nm, which corresponds to 20.5 periods of the periodic multilayer film, and is a positive half-integer multiple of the period. The mesostructure having a lamellar structure in this example is formed by a dip coating method using a precursor solution prepared by adding a precursor of an inorganic oxide to a surfactant solution in which the aggregate functions as a template. It has been done. Here, a block polymer is used as a surfactant, tetraethoxysilane is used as a precursor of an inorganic oxide, ethanol is used as a solvent, water and hydrochloric acid for hydrolysis of tetraethoxysilane are added, and the mixture is stirred. Is done. The mixing ratio (molar ratio) is tetraethoxysilane: 1, block polymer: 0.0264, water: 8, hydrochloric acid: 0.01, ethanol: 40. As the block polymer, a triblock copolymer of polyethylene glycol (20) -polypropylene glycol (70) -polyethylene glycol (20) is used. (In parentheses are the number of repetitions of each block) A mesostructure having a lamellar structure is formed by a self-assembly process in the process of volatilization of the solvent of the solution. By making X-rays incident on the end face parallel to the waveguide cross section of the X-ray waveguide of this embodiment so as to form an incident angle of about 0.44 ° with the waveguide direction in a plane perpendicular to the transverse direction of the interface. A two-dimensional periodic resonant waveguide mode can be formed on the same principle as in the third embodiment.
（実施例５）
本発明の実施例５のＸ線導波路は、実施例２で述べたＸ線導波路のコアである周期性多層膜をメソポーラス材料であるメソ構造体に代えたものである。本実施例のＸ線導波路のコアをなすメソポーラス材料は、多数の均一な径の空孔がシリカ中に存在するメソポーラスシリカである。このメソポーラスシリカの導波方向に垂直な断面は２次元の周期構造を有しているが、空気部分が比較的多い層とシリカ部分が比較的多い部分が、対向方向で交互に積層されたものとなっており、この方向で平均的屈折率が周期的に変化する屈折率分布をもつ。つまり、対向方向において、１次元の周期構造体となっており、その周期はおよそ１０ナノメートルである。対向方向でコアの幅が広い領域のコアの幅は５００ｎｍで、これは周期数５０に相当する。一方、コアの幅が狭い領域のコアの幅は３００ｎｍで、これは周期数３０に相当する。その結果、対向方向におけるコアの幅の最大変化量は、２００ｎｍとなり、これは周期性多層膜の２０周期分に相当し、周期の自然数倍となっている。このメソポーラスシリカの前駆溶液としては、実施例４に記載の前駆溶液の調製方法において、混合比（モル比）を、テトラエトキシシラン：１、ブロックポリマー：０．００９６、水：８、塩酸：０．０１、エタノール：４０としたものが用いられる。この溶液をタングステンからなる下部クラッドの上部に塗布、乾燥、熟成させたのち溶媒に浸漬することにより、鋳型であるブロックコポリマーを抽出除去しメソポーラスシリカ膜を調整する。この膜形成後の鋳型除去工程により、メソポーラスシリカ中の孔を空洞化させたものは、特にＸ線の伝搬損失を小さくすることができる。このように、本実施例のＸ線導波路のコアは、鋳型除去工程により孔の中の鋳型の有機物が除去されたメソポーラスシリカ膜である。本実施例のＸ線導波路の導波断面に平行な端面に、界面横断方向に垂直な面内で導波方向と入射角度約０．３６°をなすように、光子エネルギー１０キロエレクトロンボルトのＸ線を入射することにより、実施例２と同様の原理で、２次元の周期共鳴導波モードを形成することができる。
(Example 5)
The X-ray waveguide of Example 5 of the present invention is obtained by replacing the periodic multilayer film, which is the core of the X-ray waveguide described in Example 2, with a mesostructure that is a mesoporous material. The mesoporous material that forms the core of the X-ray waveguide of this example is mesoporous silica in which a large number of holes having a uniform diameter are present in the silica. This mesoporous silica has a two-dimensional periodic structure in the cross section perpendicular to the waveguide direction, but a layer with a relatively large air portion and a portion with a relatively large silica portion are alternately stacked in the opposite direction. And has a refractive index distribution in which the average refractive index changes periodically in this direction. That is, it is a one-dimensional periodic structure in the facing direction, and its period is about 10 nanometers. The width of the core in the region where the core is wide in the facing direction is 500 nm, which corresponds to a period number of 50. On the other hand, the core width in the region where the core width is narrow is 300 nm, which corresponds to a period number of 30. As a result, the maximum change amount of the core width in the facing direction is 200 nm, which corresponds to 20 periods of the periodic multilayer film, and is a natural number times the period. As the precursor solution of this mesoporous silica, in the preparation method of the precursor solution described in Example 4, the mixing ratio (molar ratio) was tetraethoxysilane: 1, block polymer: 0.0096, water: 8, hydrochloric acid: 0. 0.01, ethanol: 40 is used. This solution is applied to the upper part of the lower clad made of tungsten, dried and aged, and then immersed in a solvent to extract and remove the block copolymer as a template to prepare a mesoporous silica film. In the case where the holes in the mesoporous silica are hollowed out by the template removal step after the film formation, the propagation loss of X-rays can be particularly reduced. As described above, the core of the X-ray waveguide of this example is a mesoporous silica film from which the organic substance of the template in the hole has been removed by the template removal step. The photon energy is 10 kiloelectron volts so that the incident angle is about 0.36 ° in the plane perpendicular to the transverse direction of the interface with the end face parallel to the waveguide cross section of the X-ray waveguide of this embodiment. By making X-rays incident, a two-dimensional periodic resonant waveguide mode can be formed on the same principle as in the second embodiment.
本発明のＸ線導波路は、シンクロトロンなどから出力されるＸ線を操作するためのＸ線光学系、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などに用いられる部品などのＸ線光学技術分野に利用することができる。 The X-ray waveguide of the present invention is used in the field of X-ray optical technology such as an X-ray optical system for manipulating X-rays output from a synchrotron, an X-ray imaging technology, an X-ray exposure technology, etc. Can be used.
１０１、１０７：コア
１０２、１０３、１０８、１０９：クラッド
１０４：導波方向
１０５：対向方向
１０６：界面方向
１１０、１１１：界面
１１５：コアの幅が広い領域
１１６：コアの幅が狭い領域
２０１：コア
２０２、２０３：クラッド
２０４：屈折率実部の大きい物質層
２０５：屈折率実部の小さい物質層
３０１：波数ベクトルの導波方向の成分
３０２：基本波の波数ベクトル
３０３：波数ベクトルの対向方向の成分
４０１：コア
４０２、４０３：クラッド
４０４：界面
４０５：屈折率実部の大きい物質層
４０６：屈折率実部の小さい物質層
４０７：コアの幅が広い領域
４０８：コアの幅が狭い領域
４０９：コアの幅の最大変化量５０１、６０１、７０１、８０１：コア
５０２、６０２、７０２、８０２：下部クラッド
５０２、６０３、７０３、８０３：上部クラッド
５０４、６０６、７０６：界面
５０５、６０７、７０７、８０４：コアの幅が広い領域
５０６、６０８、７０８、８０５：コアの幅が狭い領域
５０７、５０８、６０９、６１０、７０９、７１０：コアの幅
５０９、６１２、７１２：Ｓｉ基板
５１０、６１１、７１１：上部クラッドの最上部の厚さ
５１１、６１３、７１３：単位格子に相当する領域
６０４、７０４：屈折率実部の大きい物質層
６０５、７０５：屈折率実部の小さい物質層
６１４、７１４：コアの幅の最大変化量
101, 107: Core
102, 103, 108, 109: Clad 104: Waveguide direction 105: Opposing direction 106: Interface direction 110, 111: Interface 115: Wide core region 116: Core narrow region 201: Cores 202, 203: Clad 204: Material layer with a large real part of refractive index 205: Material layer with a small real part of refractive index 301: Component in wave guide direction of wave vector 302: Wave vector of fundamental wave 303: Component in opposite direction of wave vector 401: Core 402, 403: Cladding 404: Interface 405: Material layer with large real part of refractive index 406: Material layer with small real part of refractive index 407: Wide core width region 408: Small core width region 409: Core width Maximum change amount 501, 601, 701, 801: Core 502, 602, 702, 802: Lower cladding 502, 603, 703, 803: Upper Cladding 504, 606, 706: Interfaces 505, 607, 707, 804: Wide core width regions 506, 608, 708, 805: Narrow core width regions 507, 508, 609, 610, 709, 710: Core Widths 509, 612, 712: Si substrates 510, 611, 711: Uppermost layer thicknesses 511, 613, 713: regions corresponding to unit cells 604, 704: material layers 605, 705 having a large real part of the refractive index : Material layers 614 and 714 having a small real part of the refractive index: Maximum amount of change in core width
Claims (11)
前記二つのクラッドのうちの一方のクラッドと前記コアとの界面が、前記二つのクラッドの対向方向および前記Ｘ線導波路のＸ線の導波方向に垂直な方向に周期的な凹凸構造を有していることを特徴とするＸ線導波路。 In an X-ray waveguide composed of a core and two clads that are opposed to and sandwich the core,
An interface between one of the two clads and the core has a periodic uneven structure in a direction perpendicular to the two clads and in a direction perpendicular to the X-ray waveguide direction of the X-ray waveguide. An X-ray waveguide characterized in that:
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